KR101258882B1 - 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법 - Google Patents

마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 소니 디에이디씨
시바우라 메카트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 마그네트론 스퍼터링 장치는, 타겟이 막 형성 대상물에 대해 대향 배치될 수 있는 스퍼터링 챔버와, 스퍼터링 챔버를 향하는 가스 도입구와, 스퍼터링 챔버의 외부에 타겟에 대향하여 설치되고, 마그네트의 중심에 대하여 편심되어 있는 회전 중심으로 회전 가능하게 설치된 마그네트와, 마그네트의 회전면 내에서의 마그네트의 주위 방향 위치를 검출하도록 구성된 센서와, 회전하고 있는 마그네트의 주위 방향 위치와 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 타겟에의 전압 인가를 개시하게 하여 스퍼터링 챔버 내에서 전기 방전을 야기하도록 구성된 제어 장치를 포함한다.

Description

마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법{MAGNETRON SPUTTERING APPARATUS AND MAGNETRON SPUTTERING METHOD}
본 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법에 관한 것이다.
종래부터, 예를 들면, 디스크형 기록 매체의 수지로 이루어진 기판에 대한 기록층, 반사막 등의 막 형성은 스퍼터링 막 형성에 의해 행해지고 있다.
특허 문헌 1 : 일본공개특허 1993-311425호 공보
특허 문헌 2 : 일본공개특허 1993-179426호 공보
특허 문헌 3 : 일본공개특허 1999-144338호 공보
지금까지의 광디스크에서는 반사율의 불균일에 대한 허용 범위가 비교적 넓었기 때문에, 반사율에 영향을 주는 반사막의 막두께의 불균일이 문제가 되지 않았다. 그러나, 특히 다층용 예를 들면 2층용의 반투과막은 주위 방향의 균일성(circumferential uniformity)이 요구된다. 그 반투과막을 통해 반사 상의 정보를 판독하므로, 반투과막의 변동이 보다 큰 변동으로서 반사막에게 영향을 주게 된다. 그러므로, 이와 같은 다층화 및 차세대의 고밀도 고용량 광디스크에서는, 반사율의 불균일에 대한 허용 범위가 좁아지므로, 현재의 막두께 불균일의 상태로는 생산시의 품질을 보증하는 공정 능력 지수가 낮아지는 등 품질 저하의 문제가 염려된다.
현재, 광디스크의 막 형성에 있어서, 직경 방향의 막두께 분포는 비교적 안정된 것을 얻을 수 있지만, 주위 방향의 막두께 분포는 변동이 비교적 크다. 따라서, 디스크면 전체의 막두께 불균일을 억제하기 위해서는, 특히 주위 방향의 막두께 불균일을 억제하는 것이 유효하다.
그리고, 막두께의 주위 방향 균일화를 달성하기 위해, 특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있는 바와 같이, 처리 챔버의 주위 방향에 있는 복수의 지점으로부터 균일하게 가스를 도입하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 장치의 구조가 복잡하게 되고, 또한 현재 상태의 기존의 장치를 그대로 사용할 수 없다.
또한, 특허 문헌 3에는, 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서, 1회의 박막 형성에 필요한 시간에서의 마그네트의 회전수를 제어함으로써 기판 상의 막두께의 균일화를 도모하는 취지가 개시되어 있다. 그러나, 막두께 분포에 영향을 주는 막 형성 챔버 내의 플라즈마 분포는, 마그네트 회전수 외에 가스 도입구의 위치 등에도 좌우된다. 그러므로, 단지 마그네트의 회전수를 제어하는 것만으로는, 특히 향후 엄격한 막두께 품질이 요구되는 차세대 광디스크의 스퍼터링 막 형성에 적용하는 데 있어서는 불충분하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 행해지고, 막두께의 주위 방향 균일성을 향상시키는 마그네트론 스퍼터링 장치 및 마그네트론 스퍼터링 방법을 제공한다.
본 발명의 한 태양에 의하면, 타겟이 막 형성 대상물에 대해 대향 배치될 수 있는 스퍼터링 챔버; 상기 스퍼터링 챔버를 향하는 가스 도입구; 상기 스퍼터링 챔버의 외부에 상기 타겟에 대향하여 설치되고, 중심에 대하여 편심되어 있는 회전 중심으로 회전 가능하게 설치된 마그네트; 상기 마그네트의 회전면 내에서의 상기 마그네트의 주위 방향 위치를 검출하도록 구성된 센서; 및 회전하고 있는 상기 마그네트의 상기 주위 방향 위치와 상기 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하게 하여 상기 스퍼터링 챔버 내에서 전기 방전을 야기하도록 구성된 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 의하면, 스퍼터링 챔버 내에 타겟과 막 형성 대상물을 대향 배치시키는 단계; 상기 스퍼터링 챔버를 향하고 있는 가스 도입구로부터 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 챔버 내에 도입하고, 또한 상기 스퍼터링 챔버의 외부에 상기 타겟에 대향하여 설치된 마그네트를 이 마그네트의 중심에 대하여 편심되어 있는 회전 중심으로 회전시키는 단계; 및 회전하고 있는 상기 마그네트의 회전면 내에서의 주위 방향 위치와 상기 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하여 상기 스퍼터링 챔버 내에서 전기 방전을 야기하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터링 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1에서의 주요부의 확대도이다.
도 3은 마그네트론 스퍼터링 장치에서의 마그네트, 타겟 및 가스 도입구의 평면 레이아웃을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 타겟에의 전압 인가의 개시/종료를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5는 비교예에서의 타겟에의 전압 인가의 개시/종료를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은 본 발명의 발명자 등이 행한 스퍼터링 막 형성 시험에 있어서의 가스 도입 위치와 마그네트 중심의 측정 원점에 대한 위치를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 발명자 등이 스퍼터링 막 형성 시험을 행하여 기판에 형성된 막의, 기판 중심으로부터 반경 58 mm의 위치에서의 주위 방향 1 사이클분의 반사율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략 구성을 나타낸 모식도이다. 도 2는 그 주요부의 확대도이다.
이 장치는, 막 형성 대상물로서 예를 들면 디스크형 기록 매체의 기판(10)에 대하여 싱글-웨이퍼 공정(single-wafer process)으로 스퍼터링 막 형성을 행하는 마그네트론 스퍼터링 장치이며, 주로 스퍼터링 소스, 반송 기구 등을 가지는 장치 본체(8)와, 장치 본체(8)의 내외에 기판(10)을 반입 및 반출하는 외부 반송 기구(9)와, 장치 본체(8)의 외부에 설치된 전원(51), 제어 장치(55) 등을 구비한다.
장치 본체(8)는, 대략 원통형의 기밀 용기(11)와, 이 기밀 용기(11)의 직경보다 큰 직경의 대략 원통형의 기밀 용기(12)를 가진다. 기밀 용기(11)의 내부는 스퍼터링 챔버(13)로서 기능하고, 기밀 용기(12)의 내부는 반송 챔버(14)로서 기능한다.
기밀 용기(12)의 저부에는 배기구(37)가 형성되고, 이 배기구(37)에는 진공 펌프(23, 24) 등을 갖는 진공 배기 시스템이 연결되어 있다. 배기구(37)를 통하여 기밀 용기(12, 11)의 내부를 진공 흡인함으로써, 이들 기밀 용기(12, 11) 내부는 원하는 감압 분위기로 된다.
스퍼터링 챔버(13)는 반송 챔버(14)의 상부에 편심으로 위치하고 있다. 스퍼터링 챔버(13)의 상부에는 타겟(15)이 백킹 플레이트(backing plate)(41)(도 2에 나타낸) 등을 통하여 유지되어 있다. 타겟(15)의 중심부로부터는 센터 마스크(18)가 아래쪽으로 연장되어 있다. 스퍼터링 챔버(13) 내에서의 외주측 부분에는 아우터 마스크(19)가 설치되어 있다.
기판(10)에의 스퍼터링 막 형성을 행하고 있지 않을 때에는, 스퍼터링 챔버(13)의 바닥과 반송 챔버(14)는 연통되어 있지만, 스퍼터링 막 형성시에는, 기판(10)이 도 2에서 2점 쇄선으로 나타내는 위치에 세트되어, 타겟(15)에 대하여 대향하게 된다. 그 상태에서, 스퍼터링 챔버(13)의 바닥은 기판(10)에 의해 폐쇄된다. 또한, 센터 마스크(18)는 중앙 구멍을 가지는 디스크형 기판(10)의 그 중앙 구멍을 포함하는 중앙부를 덮으며, 아우터 마스크(19)의 내주측 에지부는 기판(10)의 최외주 에지부를 덮는다. 기판(10)에 있어서 이들 마스크(18, 19)로 덮여진 부분에는 막 형성이 행해지지 않는다. 또한, 스퍼터링 막 형성시, 스퍼터링 챔버(13) 내의 가스는 아우터 마스크(19)에 형성된 배기공(42)을 통하여 반송 챔버(14) 및 배기구(37)에 배기될 수 있다.
스퍼터링 챔버(13) 내로는 그 주위 방향의 1 지점으로부터 가스 도입이 행해진다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링 챔버(13)의 주위를 에워싸는 기밀 용기(11)의 주위 벽에 가스 도입구(45)가 개구되고, 스퍼터링 챔버(13)의 내부를 향하고 있다. 가스 도입구(45)에는 가스 도입관(46)이 접속되고, 가스 도입관(46)은 도시하지 않은 가스 공급원에 접속되어 있다.
스퍼터링 챔버(13) 위쪽의 기밀 용기(11)의 외부에는, 타겟(15)에 대향하여 마그네트(16)가 설치되어 있다. 마그네트(16)는 타겟(15)에 대향한 상태에서 모터(17)에 의해 회전 가능하게 되어 있다.
도 3은 마그네트(16), 타겟(15) 및 가스 도입구(45)의 평면 레이아웃을 나타내는 모식도이다.
타겟(15)의 평면 형상은 대략 원형상으로 형성되고, 마그네트(16)의 평면 형상은 타원 형상으로 형성되어 있다. 마그네트(16)의 중심(무게중심) C1은 타겟(15)의 중심에 대하여 편심으로 위치되고, 또한 마그네트(16)는 자체의 중심 C1에 대하여 편심으로 위치된 회전 중심 C2를 중심으로 회전한다. 그리고, 마그네트(16)의 평면 형상은 타원형으로 한정되지 않고, 원형, 삼각형, 하트형 등이어도 된다.
마그네트(16)에는 마그네트(16)의 회전과 동시에 회전하는 도시하지 않은 피검출체가 부착되어 있다. 그 피검출체를 정지물로서 설치된 센서(53)가 검출함으로써 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치를 검출할 수 있다.
다시 도 1을 참조하여 설명하면, 반송 챔버(14)의 중앙에는 저벽을 관통하여 수직으로 연장되는 회전축(36)이 설치되고, 이 회전축(36)은 반송 챔버(14)의 외부에 설치된 모터(28)와 연결되어 있다. 회전축(36)의 상단부에는 회전 테이블(27)이 연결되어 있다. 회전 테이블(27)에는 복수의 링형의 서셉터(susceptor)(21)가 설치되어 있다.
반송 챔버(14)의 저벽의 아래쪽에는, 회전축(36)을 사이에 두고 위치하는 액츄에이터(25, 29)가 설치되어 있다. 각각의 액츄에이터(25, 29)는 예를 들면 에어 실린더 장치이며, 각각 반송 챔버(14)의 저벽을 관통하여 반송 챔버(14) 내에서 상하로 왕복 운동하는 로드(26, 30)를 구비하고 있다. 한쪽의 액츄에이터(25)는 스퍼터링 챔버(13)의 아래쪽에 위치하고, 다른 쪽의 액츄에이터(29)는 로드 록용 개구부(load lock opening)(44)의 아래쪽에 위치하고 있다. 로드 록용 개구부(44)는, 반송 챔버(14) 상벽에서 반송 챔버(14)의 중심을 사이에 두고 스퍼터링 챔버(13)의 반대측의 위치에 형성되어 있다. 로드 록용 개구부(44)는, 외부 반송 기구(9)의 수평 암(33)의 양단에 고정된 진공 덮개(34a, 34b)의 한쪽에 의해 기밀하게 폐쇄될 수 있다.
장치 본체(8)의 외부에는 전원(51) 및 제어 장치(55)가 설치되어 있다. 전원(51)은 예를 들면 직류 전원이며, 타겟(15)에 대하여 직류 전압을 인가한다. 전원(51)의 동작은 후술하는 바와 같이 제어 장치(55)에 의해 제어된다.
다음에, 전술한 본 실시예에 따른 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용한 스퍼터링 막 형성 처리에 대하여 설명한다.
기판(10)은 외부 반송 기구(9)에 의해 반송 챔버(14) 내에 반입된다. 그리고, 기판(10)의 반입 반출 시에 및 스퍼터링 막 형성 처리 동안에는, 반송 챔버(14) 및 스퍼터링 챔버(13)의 감압 상태가 유지된다.
후술하는 반출시의 동작에 의해, 반송 챔버(14) 내에서 액츄에이터(29)의 로드(30)는 상승되며, 서셉터(21)가 로드(30)의 선단부에 장착된 푸셔(pusher)(32)로 들어올려져 로드 록용 개구부(44)의 아래쪽 둘레부에 밀착된다. 그 상태에서, 수평 암(33)의 진공 덮개(34a, 34b)의 한쪽이 그 하면에, 예를 들면, 메카니컬 척(chuck) 기구에 의해 기판(10)을 유지한 상태로 로드 록용 개구부(44) 위로 이동되어 로드 록용 개구부(44)를 기밀하게 폐쇄한다. 진공 덮개(34a, 34b)에 의한 로드 록용 개구부(44)의 폐쇄 상태는, 막 형성 처리를 끝낸 기판(10)이 외부로 반출될 때까지 유지된다.
그리고, 로드 록용 개구부(44)의 내부를 배기하여 반송 챔버(14) 내의 압력과 같은 정도의 감압 상태로 되면, 로드(30)가 하강하고, 진공 덮개(34a, 34b)의 한쪽으로부터 서셉터(21)에 옮겨진 기판(10)은 서셉터(21)와 함께 하강한다. 그리고, 기판(10)을 탑재한 서셉터(21)는 회전 테이블(27)에 형성된 원형 개구에 결합되어 지지된다.
다음에, 모터(28)에 의해 회전축(36)이 회전되며, 이로써 회전 테이블(27)이 수평면 내에서 회전된다. 그러므로, 로드 록용 개구부(44)에 대향하는 위치에 있는 서셉터(21) 및 그 위에 유지된 기판(10)은 스퍼터링 챔버(13)의 하방 위치로 이동된다.
그리고나서, 액츄에이터(25)의 로드(26)가 상승되고, 푸셔(22)의 중앙 상면에 설치된 돌기부가 기판(10)의 원형 중앙 구멍에 끼워지며, 이로써 기판(10)은 푸셔(22) 상에 센터링된 상태로 대략 수평으로 지지되어 서셉터(21)로부터 들어올려진다. 그리고, 로드(26)의 추가의 상승에 의해, 도 2에서 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 기판(10)의 막 형성면이 타겟(15)에 대향하는 상태로 스퍼터링 챔버(13)를 향하게 된다.
기판(10)이 스퍼터링 챔버(13)에 반입되기 전에, 가스 도입관(46) 및 가스 도입구(45)를 통하여 스퍼터링 챔버(13) 내에 예를 들면 아르곤 가스가 도입되어 있고, 또한 마그네트(16)도 회전된 상태로 되어 있다. 그리고, 기판(10)의 반입 후(도 2에서 2점 쇄선 위치에 세트된 후), 전원(51)으로부터 타겟(15)에 전압을 인가한다. 이 전압 인가에 의해, 타겟(15)을 캐소드로 하고 스퍼터링 챔버(13) 내벽면을 애노드로 하는 전기 방전이 발생한다. 도입된 스퍼터링 가스가 전리하여 스퍼터링 챔버(13) 내에 플라즈마가 발생되며, 예를 들면 가속된 아르곤 이온에 의해 타겟(15)이 스퍼터링된다.
스퍼터링된 타겟(15)의 구성 원자는, 기판(10)의 막 형성면 중의, 센터 마스크(18) 및 아우터 마스크(19)에 의해 덮혀 있지 않은 부분에 부착 및 퇴적되고, 그 막 형성면에 타겟 재료의 막이 형성된다.
본 실시예에서는 마그네트론 스퍼터링을 기반으로 하며, 마그네트(16)가 발생하는 자계에 의해 타겟(15)의 표면에 자계의 터널이 형성되고, 스퍼터링 챔버(13) 내의 전자는 그 자계 터널 안을 주회 운동(revolving motion)한다. 이로써, 플라즈마를 타겟(15) 부근으로 제한하여 스퍼터링 레이트를 빠르게 할 수 있는 동시에, 플라즈마를 기판(10)으로부터 분리하여 기판(10)의 플라즈마 손상을 방지할 수 있다.
이상 설명한 막 형성 처리가 종료하면, 로드(26)가 하강되고, 기판(10)은 서셉터(21) 상에 되돌려진다. 이어서, 회전 테이블(27)이 회전되어 막 형성 처리가 완료된 기판(10)은 로드 록용 개구부(44)에 대향하는 위치로 회전 이동된다.
그리고나서, 로드(30)가 상승되고, 푸셔(32)에 의해 서셉터(21)는 기판(10)을 탑재한 상태로 들어 올려져 로드 록용 개구부(44)의 아래쪽 둘레부에 밀착되고, 기판(10)은 로드 록용 개구부(44)를 폐쇄하고 있는 진공 덮개(34a, 34b)의 한쪽의 하면에 옮겨진다.
그리고나서, 로드 록용 개구부(44)의 내부가 주변 공기에 개방된 후, 로드 록용 개구부(44)를 폐쇄하고 있는 진공 덮개(34a, 34b)의 한쪽이 막 형성 처리된 기판(10)을 유지한 채 상승하여 로드 록용 개구부(44)로부터 분리된다. 이 후, 수평 암(33)은 진공 덮개(34a, 34b)의 한쪽의 하면에 처리된 기판(10)을 유지하고, 다른 쪽의 하면에 막 형성 처리 전의 기판(10)을 유지한 상태로 수평면 내에서 회전된다.
이로써, 막 형성 처리된 기판(10)이 반송 챔버(14)의 외부로 반출되는 동시에, 막 형성 처리 전의 새로운 처리 대상 기판(10)이 로드 록용 개구부(44)를 바라보는 위치로 이동된다. 로드 록용 개구부(44)를 바라보는 위치로 이동된 막 형성 처리 전의 기판(10)에 대하여 전술한 것과 유사한 동작 및 처리가 행해진다. 이상의 것이 반복되고, 기판(10)은 1매씩 연속적으로 막 형성 처리된다.
여기서, 본 실시예에서는, 도 4에 나타낸 타이밍 차트와 같이, 회전하고 있는 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치가 가스 도입구(45)의 위치에 대하여 어떤 위치에 있는지에 기초하여, 타겟(15)에의 전압 인가 타이밍 및 종료 타이밍을 제어하고 있다.
도 4에서, (a)는 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치를 검출하는 센서(53)의 출력 신호를 나타낸다. 마그네트(16)에 장착한 전술한 피검출체를 센서(53)가 검출하면, 센서 출력은 온으로 된다. 예를 들면, 설명의 편의상, 도 3에 나타낸 평면에서 볼 때, 마그네트(16)의 중심 C1과 회전 중심 C2 및 가스 도입구(45)의 위치가 일직선 상에 정렬되어, 마그네트(16)의 중심(무게중심) C1이 회전 중심 C2를 사이에 두고 가스 도입구(45)에 대향하는 위치(이하, 간략하여 "대향 위치"라고도 함)에 마그네트(16)가 위치할 때, 센서(53)가 피검출체를 검출하여 그 출력 신호를 온으로 되게 한다.
마그네트(16)의 회전에 따라, 피검출체가 센서 장착 위치를 통과할 때마다, 센서 출력은 온으로 된다. 센서 출력의 온과 오프가 교호적으로 반복되는 상태가 검출됨으로써, 마그네트(16)가 정상적으로 회전하고 있는 것을 판정할 수 있다.
도 4에서, (b)는 기판(10)이 스퍼터링 위치(도 2에서 2점 쇄선으로 나타낸 위치)에 있는지 아니면 반송 위치에 있는지를 나타낸다.
도 4에서, (c)는 제어 장치(55)가 전원(51)에게 보내는 전압 인가 명령을 나타낸다. 전원(51)이 제어 장치(55)로부터 온(ON) 명령을 수신하면 전원(51)으로부터 타겟(15)에 전압이 인가되고, 스퍼터링 챔버(13) 내에 전기 방전이 야기되어 플라즈마가 생성된다. 전원(51)이 제어 장치(55)로부터 오프(OFF) 명령을 수신하면, 타겟(15)에의 전압 인가가 정지되어, 스퍼터링 챔버(13) 내에서의 방전 및 플라즈마 생성이 정지된다.
여기서, 도 5는 비교예에 있어서의 도 4에 대응하는 타이밍 차트이다.
기판(10)이 스퍼터링 위치에 있는 경우는 물론 반송 위치에 있는 경우에도, 장치의 가동 동안, 가스는 스퍼터링 챔버(13) 내에 도입되는 것이 지속되고, 마그네트(16)는 계속 회전한다.
비교예에서는, 도 5에서 실선으로 나타낸 타이밍 차트와 같이, 시각 t2에서는, 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세팅되는 것과 동시에 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된다. 소정 시간 동안에 스퍼터링 막 형성을 행한 후, 시각 t5에서는, 기판(10)의 스퍼터링 위치로부터의 이탈과 동시에 타겟(15)에의 전압 인가도 종료된다.
이 비교예에서는, 타겟(15)에의 전압 인가 개시 타이밍 및 종료 타이밍은, 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치와는 연동하고 있지 않다. 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세팅될 때, 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된다. 소정의 스퍼터링 시간이 경과한 후, 스퍼터링 막 형성이 종료되면, 타겟(15)에의 전압 인가가 정지되고, 기판(10)이 스퍼터링 위치로부터 이탈된다.
즉, 도 5에서 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 시각 t1에서 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세트되면, 시각 t1에서 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된다. 시각 t4에서 기판(10)이 스퍼터링 위치로부터 이탈하면, 시각 t4에서 타겟(15)에의 전압 인가가 종료된다.
마찬가지로, 파선으로 나타낸 바와 같이, 시각 t3에서 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세트 되면, 시각 t3에서 타겟(15)에의 전압 인력이 개시된다. 시각 t6에서 기판(10)이 스퍼터링 위치로부터 이탈하면, 시각 t6에서 타겟(15)에의 전압 인가가 종료된다.
비교예에서는, 센서(53)는 단지 마그네트(16)가 정상적으로 회전하고 있는 여부를 검출하기 위해서만 사용되고 있다.
이에 대하여, 본 실시예에서는, 마그네트(16)의 회전 중에서의 회전면 내에서의 주위 방향 위치가, 도 3에 나타낸 평면에서 볼 때 가스 도입구(45)에 대하여 상대적으로 어떤 위치에 있는지에 기초하여, 타겟(15)에의 전압 인가의 개시 및 종료가 제어된다.
구체적으로는, 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세팅된 상태에서, 센서(53)가 온으로 되면, 즉 마그네트(16)가 도 3을 참조하여 전술한 가스 도입구(45)에 대한 "대향 위치"에 있을 때에, 타겟(15)에의 전압 인가를 개시한다.
도 4에서, 예를 들면 시각 t2에서 실선으로 나타낸 바와 같이 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세트되는 경우에도, 그 시각 t2에서는 센서 출력이 오프이며, 마그네트(16)가 상기한 "대향 위치"에 있지 않게 된다. 그러므로, 타겟(15)에의 전압 인가가 개시되지 않는다. 시각 t2 다음에 최초로 센서 출력이 온으로 될 때, 시각 t3가 된 후에야만 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된다.
마찬가지로, 예를 들면 시각 t1에서 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같이 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세트되는 경우에도, 그 시각 t1에서는 센서 출력이 온으로부터 오프로 스위칭되고, 마그네트(16)가 상기한 "대향 위치"에 있지 않게 된다. 그러므로, 타겟(15)에의 전압 인가는 개시되지 않고, 시각 t1 다음에 최초로 센서 출력이 온으로 될 때, 시각 t3가 된 후에야만 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된다.
또한, 시각 t3보다 뒤의 시각 t4에서 파선으로 나타낸 바와 같이 기판(10)이 스퍼터링 위치에 세트되는 경우에도, 그 시각 t4에서는 센서 출력이 온으로부터 오프로 스위칭되고, 마그네트(16)가 상기한 "대향 위치"에 있지 않게 된다. 그러므로, 타겟(15)에의 전압 인가는 개시되지 않는다. 그 시각 t4 다음에 최초로 센서 출력이 온으로 될 때, 시각 t5가 된 후에야만 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된다.
타겟(15)에의 전압 인가는 소정 시간 계속된다. 이 전압 인가 시간은 마그네트(16)의 단위 시간당의 회전수 설정과 스퍼터링 시간 설정과의 관계에 기초하여 마그네트(16)를 정수회(integer number of the time) 회전시키는 것을 기본으로 하여 결정된다. 도 4에 나타낸 예에서는, 시각 t3에서 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된 경우에는, 그로부터 마그네트(16)가 5회전할 때에 시각 t6에서 타겟(15)에의 전압 인가가 종료된다. 마찬가지로, 시각 t5에서 타겟(15)에의 전압 인가가 개시된 경우에는, 그로부터 마그네트(16)가 5회전할 때에 시각 t7에서 타겟(15)에의 전압 인가가 종료된다.
이와 같이, 타겟(15)에의 전압 인가를 정지하는 타이밍 또한 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치와 연동시켜 결정하고 있다. 즉, 마그네트(16)가 도 3을 참조하여 전술한 가스 도입구(45)에 대한 "대향 위치"에 있고, 센서(53)가 온으로 될 때에(도 4에의 시각 t6 및 t7), 타겟(15)에의 전압 인가가 정지된다. 그리고, 전기 방전 정지 타이밍은 반드시 마그네트 위치에 연동시키지 않아도 되고, 전기 방전 개시 타이밍만 마그네트 위치에 연동시키는 것만으로도 된다.
전술한 바와 같이 마그네트(16)의 중심 C1이 회전 중심 C2를 사이에 두고 가스 도입구(45)에 대한 "대향 위치"에 있을 때, 타겟(15)에의 전압 인가를 개시 및 종료함으로써, 기판(10)에 형성되는 막의 막두께의 주위 방향 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 전체 기판면에서의 막두께 균일성을 양호하게 할 수 있고, 높은 품질의 디스크형 기록 매체를 제공할 수 있다. 이에 대해서는 이하의 이유가 고찰된다.
기판면 내에서의 막두께의 불균일은 스퍼터링 레이트의 불균일에 기인하고, 스퍼터링 레이트는 스퍼터링 챔버 내에서의 플라즈마 밀도 분포에 좌우된다. 플라즈마 밀도는 스퍼터링 챔버 내에 도입된 가스 압력에 좌우되고, 가스 압력이 높으면, 생성되는 플라즈마의 밀도가 높아진다.
본 실시예에서는, 가스 도입 시스템의 구조 복잡화를 회피하는 관점으로부터, 스퍼터링 챔버(13) 내에는 그 주위 방향의 1 지점으로부터만 가스를 도입하고 있다. 또한, 스퍼터링 챔버(13)의 중앙 아래쪽에는 기판(10)을 승강시키는 기구가 위치되기 때문에, 배기구(37)는 스퍼터링 챔버(13)의 중심에 대하여 편심된 위치에 설치되어 있다. 이로부터, 스퍼터링 챔버(13) 내에 가스를 균일하게 분포시키는 것이 어렵게 된다. 가스 도입구(45)에서 가스 압력이 최대로 되며, 가스 도입구(45)로부터 멀어짐에 따라 가스 압력이 낮아지고, 가스 도입구(45)로부터 스퍼터링 챔버(13)의 주위 방향으로 약 180°떨어져 가스 도입구(45)로부터 가장 멀어지는, 상기한 "대향 위치" 부근이 가스 압력이 가장 낮아지는 경향이 있다.
또한, 스퍼터링에 실질적으로 기여하는 밀도의 플라즈마는 실질적으로 마그네트(16)의 하방에서만 발생한다. 따라서, 스퍼터링 챔버(13) 내에서의 플라즈마 밀도 분포는, 스퍼터링 챔버(13) 내의 가스 압력 분포(즉, 이것을 결정하는 가스 도입구(45)의 위치)와 마그네트(16)의 주위 방향 위치에 의존한다. 그러므로, 본 실시예에서는, 기판(10)에서의 주위 방향의 막두께 균일화를 향상시키기 위해, 가스 도입구(45)의 위치와 마그네트(16)의 주위 방향 위치에 따라 전기 방전의 개시 및 종료 타이밍을 결정하고 있다.
또한, 주위 방향의 막두께 균일화를 향상시키는 관점으로부터, 본 실시예에서는, 마그네트(16)를 정수회 회전시킨다. 예를 들면, 마그네트(16)를 1회 회전시키는 경우를 생각하면, 회전 개시 위치와 회전 종료 위치는 일치한다. 이 회전 개시 및 종료 위치 이외의 부분은 마그네트(16)가 한 번 통과하여 마그네트(16)와 1회만 대향된다. 그러나, 회전 개시 및 종료 위치에서는 그 이외의 위치의 2배의 횟수(2회)로 마그네트(16)와 대향된다.
예를 들면, 마그네트(16)가 도 3에 나타낸 상기한 "대향 위치"의 180° 반대측에 위치하는 경우에는, 마그네트(16)(의 중심 C1)는 가스 도입구(45)에 가장 가까운 위치에 있게 된다. 가스 도입구(45) 부근은 가스 압력이 가장 높다. 따라서, 그 가스 도입 위치에 마그네트(16)가 위치할 때에 타겟(15)에의 전압 인가를 개시하고, 마그네트(16)가 정수회 회전하여 다시 개시 위치에 위치했을 때에 타겟(15)에의 전압 인가를 종료하면, 가스 도입구(45) 부근에는 다른 위치보다 배의 횟수로 마그네트(16)가 위치하게 된다. 그러므로, 가스 도입구(45) 부근에 높은 플라즈마 밀도 영역이 불균일하게 분포된다. 그 결과, 기판(10)의 막 형성면에 있어서, 가스 도입구(45) 부근의 영역에 대향하는 부분의 막두께가 다른 부분의 막두께보다 두껍게 된다.
이에 대하여, 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 마그네트(16)가 그 회전 중심 C2를 사이에 두고 가스 도입구(45)에 대한 대향 위치에 있을 때에 타겟(15)에의 전압 인가의 개시 및 종료를 행하면, 마그네트(16)에 의한 높은 플라즈마 밀도가 1회전당 2번 형성되는 영역이 가스 도입구(45)로부터 가장 먼 영역으로 되고, 그 가스 도입구(45)로부터 가장 먼 영역에서는 가스 도입구(45) 및 그 부근보다 가스 압력이 낮아지게 된다. 그 결과, 그 영역에 있어서의 플라즈마 밀도의 저하를 보상할 수 있다. 이 결과, 스퍼터링 챔버(13) 내에서의 플라즈마 밀도 분포의 주위 방향의 균일화를 향상시킬 수 있고, 기판면 내에서의 막두께의 주위 방향 균일화를 향상시킬 수 있다.
여기서, 기판(10)을 그 중심 주위에 수평면 내에서 회전시킴으로써 기판면 내의 막두께 분포를 향상시키는 것도 고려할 수 있지만, 본 실시예와 같이 디스크형 기록 매체인 기판(10) 상에 막 형성을 행하는 경우에는, 중앙부 및 외주 에지부를 마스크(18, 19)로 덮어 이들 부분에 막이 부착되지 않게 할 필요가 있다. 따라서, 이들 마스크(18, 19)와 접촉되어 있는 상태에서 기판(10)이 스퍼터링 막 형성에 놓이게 되므로, 기판(10)을 회전시키려면 이들 마스크(18, 19)도 기판(10)과 함께 회전시키기 위한 기구를 추가하지 않으면 안되므로, 장치 구성이 복잡하게 되고, 비용 상승도 초래된다.
이에 대하여, 본 실시예에서는, 스퍼터링 막 형성시, 기판(10)을 회전시키지 않으므로, 마스크(18, 19)의 회전 기구도 불필요하게 되고, 또한 가스 도입구(45)는 1 지점에만 제공된다. 즉, 본 실시예에서는, 마그네트론 스퍼터링 장치의 장치 본체의 구조는 기존의 것을 사용할 수 있고, 타겟(15)에의 전압 인가를 개시 및 종료하는 타이밍을 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치와 연동시켜 제어하는 소프트 웨어 기반의 접근 방법을 통해, 대폭적인 변경 및 비용 상승을 초래하지 않고서도 막 형성 품질을 향상시킬 수 있다.
그리고, 타겟(15)에의 전압 인가를 개시하는 타이밍은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 마그네트(16)의 중심 C1 및 회전 중심 C2가 가스 도입구(45)의 위치와 모두 일직선 상에 위치할 때로 한정되지 않는다.
가스 도입구(45)의 위치와 마그네트(16)의 회전 중심 C2를 연결하는 라인(1점 쇄선) L1에 대하여 마그네트(16)의 회전면 내에서 직교하고 회전 중심 C2를 통과하는 직선(2점 쇄선) L2보다도, 가스 도입구(45)의 위치에 대하여 먼 영역(도 3에서 2점 쇄선의 사선으로 나타낸 영역)은, 스퍼터링 챔버(13) 내에서 비교적 가스 압력이 낮아지는 영역이다. 그 영역 상에 마그네트(16)의 중심 C1이 위치할 때 타겟(15)에의 전압 인가를 개시하여도, 가스 압력이 낮은 것에 기인하는 플라즈마 밀도의 저하를 보상하게 되어, 스퍼터링 챔버(13) 내에서의 플라즈마 밀도 분포의 균일화에 이롭게 된다.
또한, 타겟(15)에의 전압 인가를 종료시키는 것은, 타겟(15)에의 전압 인가를 개시할 시에 마그네트(16)의 중심 C1가 위치되는 위치(개시 위치)와 동일한 위치에 마그네트(16)의 중심 C1가 위치될 때에 종료하는 것으로 한정되지 않는다. 개시 위치를 약간 통과한 위치(단, 도 3에서의 2점 쇄선의 사선 범위 내의 위치), 또는 개시 위치의 약간 앞의 위치(동일하게, 도 3에서의 2점 쇄선의 사선 범위 내의 위치)에서, 타겟(15)에의 전압 인가를 종료하여도 된다.
또한, 마그네트 위치에 연동시킨 전술한 전기 방전 개시 및 종료의 제어는, 타겟(15)에의 전압 인가 개시시에만 행해도 된다. 예를 들면, 마그네트(16)의 중심 C1이 도 3에서의 2점 쇄선의 사선 범위 내에 위치하지 않을 때에 타겟(15)에의 전압 인가를 종료하여도 된다.
또한, 센서(53)의 설치 위치는 상기 실시예로 한정되는 것은 아니다. 전술한 설명에서는, 센서(53)가 마그네트(16)에 장착한 피검출체를 검출하여 센서 출력이 온으로 되었을 때가, 마그네트(16)가 도 3에 나타낸 전술한 "대향 위치"에 있다고 하였지만, 그 위치에서 센서(53)가 피검출체를 검출하는 것으로 한정되지 않고, 다른 위치에서 피검출체를 검출하여, 상기한 "대향 위치"와 센서 장착 위치 간의 주위 방향 거리 및 마그네트(16)의 회전수에 기초하여, 센서 출력의 온 시점에서부터의 경과 시간의 계산에 의해 마그네트(16)가 상기 "대향 위치"에 있는 것으로 인식하도록 해도 된다.
또한, 마그네트(16)에 피검출체를 설치하지 않아도, 예를 들면 마그네트(16)의 자계 강도를 모니터링함으로써 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치를 특정할 수도 있다. 또는, 모터(17)의 구동 신호에 따라 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치를 구하는 것도 가능하다.
여기서, 본 발명의 발명자는 가스 도입구(45)의 위치(가스 도입 위치)에 대한 마그네트(16)의 회전면 내에서의 주위 방향 위치를 바꾸어, 기판(10)에 대하여 스퍼터링 막 형성을 행하고, 형성된 막의 주위 방향의 반사율을 측정함으로써, 주위 방향의 막두께 분포의 평가를 행하였다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 평면에서 볼 때 대략 원형상의 스퍼터링 챔버(13)의 주위 방향(마그네트(16)의 회전 방향)의 1 지점을 측정 원점(0°)으로 세트하여, 이 측정 원점에 대하여 반시계 방향으로 60°의 위치로부터 가스를 스퍼터링 챔버(13) 내에 도입한다.
마그네트의 중심 C1(도 3의 중심 C1에 대응)이 측정 원점에 대하여 반시계 방향으로 60°의 위치(가스 도입 위치와 동일한 위치)에 위치할 때 타겟에 대한 전압 인가의 개시 및 종료를 행한 경우와, 마그네트의 중심 C1이 측정 원점에 대하여 반시계 방향으로 180°의 위치에 위치할 때 타겟에 대한 전압 인가의 개시 및 종료를 행한 경우와, 마그네트의 중심 C1이 측정 원점에 대하여 반시계 방향으로 240°의 위치(도 3에서와 동일한 "대향 위치")에 위치할 때 타겟에 대한 전압 인가의 개시 및 종료를 행한 경우의 3개의 케이스에 대하여 평가를 행하였다.
여기서, 도 3에서 2점 쇄선의 사선으로 나타낸, 「가스 도입구(45)의 위치와 마그네트(16)의 회전 중심 C2를 연결하는 직선 L2에 대하여 마그네트(16)의 회전면 내에서 직교하고 회전 중심 C2를 통과하는 직선 L1보다도, 가스 도입구(45)의 위치에 대하여 먼 영역」을, 도 6에서도 동일하게 2점 쇄선의 사선으로 나타내고 있다.
타겟 재료는 Ag를 사용하고, 마그네트 회전수는 180 rpm으로 하고, 타겟에의 인가 전력은 DC 1.6 kW로 하고, 가스는 아르곤 가스를 20 sccm의 유량으로 스퍼터링 챔버 내에 도입하고, 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력은 1.2 Pa로 유지하고, 스퍼터링 시간은 1초로 하였다.
기판에 형성된 막의, 기판 중심으로부터 반경 58 mm의 위치에서의 주위 방향에서 1 사이클분의 반사율을 측정하였다. 이 측정 결과를 도 7의 그래프에 나타내었다.
도 7의 그래프에서, 가로축은 기판 중심으로부터 반경 58 mm의 위치에서의 주위 방향 1사이클분의 위치를 나타낸다. 세로축은 반사율 30％를 기준으로 기준화한 반사율(％)을 나타낸다.
도 7의 측정 결과를 기초로 반사율의 주위 방향 분포를 구하였다. 이 주위 방향 분포는, 반사율 데이터의 범위(최대값―최소값)의 절반이 데이터의 중심값(여기서는, 최대값＋최소값의 절반)에서 차지하는 비율, 즉 (최대값－최소값)/(최대값＋최소값) × 100 [±％]로서 구하였다. 이 주위 방향 분포를 표 1에 나타내었다. 여기서, 막 형성된 막의 반사율과 막두께는 비례 관계에 있고, 반사율의 주위 방향 분포는 막두께의 주위 방향 분포를 나타낸다.
방전 개시 위치 주위 방향 분포 [±％]
60° 1.81
180° 1.54
240° 1.22
표 1의 결과로부터, 도 6에서 마그네트가 240°위치에 있을 때, 즉 마그네트가 가스 도입구에 대한 대향 위치에 있을 때, 타겟에의 전압 인가(전기 방전)를 개시한 경우에, 반사율(막두께에 대응)의 주위 방향 분포(불균일)가 가장 작다. 반대로, 마그네트가 가스 도입구 위치와 동일한 60°위치에 있을 때 타겟에의 전압 인가(전기 방전)를 개시한 경우에는, 주위 방향 분포가 가장 크며, 이것은 주위 방향으로 균일한 막 형성이 행해지고 있지 않다는 것을 의미한다. 마그네트가 180°위치에 있을 때, 즉 전술한 2점 쇄선의 사선 범위 내에 있으면, 반사율(막두께에 대응)의 주위 방향 분포(불균일)를, 상기한 "대향 위치"의 경우보다는 크지만, 가스 도입 위치와 동일한 60°위치의 경우보다는 작게 억제할 수 있다.
10 : 기판
13 : 스퍼터링 챔버
15 : 타겟
16 : 마그네트
45 : 가스 도입구
51 : 전원
53 : 센서
55 : 제어 장치

Claims (12)

  1. 마그네트론 스퍼터링 장치에 있어서,
    타겟이 막 형성 대상물에 대해 대향 배치될 수 있는 스퍼터링 챔버;
    상기 스퍼터링 챔버를 향하는 가스 도입구;
    상기 스퍼터링 챔버의 외부에 상기 타겟에 대향하여 설치되고, 중심에 대하여 편심되어 있는 회전 중심으로 회전 가능하게 설치된 마그네트;
    상기 마그네트의 회전면 내에서의 상기 마그네트의 회전 방향 위치를 검출하도록 구성된 센서; 및
    회전하고 있는 상기 마그네트의 상기 회전 방향 위치와 상기 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하게 하여 상기 스퍼터링 챔버 내에서 전기 방전을 야기하도록 구성된 제어 장치
    를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스퍼터링 챔버 내에서 상기 가스 도입구에서보다 가스 압력이 낮은 영역 상에 상기 마그네트의 중심이 위치될 때에, 상기 제어 장치는 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하게 하는, 마그네트론 스퍼터링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 도입구의 위치와 상기 마그네트의 회전 중심을 연결하는 직선에 대하여 상기 마그네트의 회전면 내에서 직교하고 상기 회전 중심을 통과하는 직선보다, 상기 가스 도입구의 위치에 대하여 먼 영역 상에, 상기 마그네트의 중심이 위치될 때에, 상기 제어 장치는 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하게 하는, 마그네트론 스퍼터링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 회전하고 있는 상기 마그네트의 상기 회전 방향 위치와 상기 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 상기 타겟에의 전압 인가를 종료시키는, 마그네트론 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스 도입구의 위치와 상기 마그네트의 회전 중심을 연결하는 직선에 대하여 상기 마그네트의 회전면 내에서 직교하고 상기 회전 중심을 통과하는 직선보다, 상기 가스 도입구의 위치에 대하여 먼 영역 상에, 상기 마그네트의 중심이 위치될 때에, 상기 제어 장치는 상기 타겟에의 전압 인가를 종료시키는, 마그네트론 스퍼터링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마그네트의 중심이, 상기 타겟에의 전압 인가를 개시할 때와 동일한 위치에 위치될 때에, 상기 제어 장치는 상기 타겟에의 전압 인가를 종료시키는, 마그네트론 스퍼터링 장치.
  7. 마그네트론 스퍼터링 방법에 있어서,
    스퍼터링 챔버 내에 타겟과 막 형성 대상물을 대향 배치시키는 단계;
    상기 스퍼터링 챔버를 향하고 있는 가스 도입구로부터 스퍼터링 가스를 상기 스퍼터링 챔버 내에 도입하고, 또한 상기 스퍼터링 챔버의 외부에 상기 타겟에 대향하여 설치된 마그네트를 이 마그네트의 중심에 대하여 편심되어 있는 회전 중심으로 회전시키는 단계; 및
    회전하고 있는 상기 마그네트의 회전면 내에서의 회전 방향 위치와 상기 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하여 상기 스퍼터링 챔버 내에서 전기 방전을 야기하는 단계
    를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스퍼터링 챔버 내에서 상기 가스 도입구에서보다 가스 압력이 낮은 영역 상에 상기 마그네트의 중심이 위치될 때에, 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하는, 마그네트론 스퍼터링 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가스 도입구의 위치와 상기 마그네트의 회전 중심을 연결하는 직선에 대하여 상기 마그네트의 회전면 내에서 직교하고 상기 회전 중심을 통과하는 직선보다, 상기 가스 도입구의 위치에 대하여 먼 영역 상에, 상기 마그네트의 중심이 위치될 때에, 상기 타겟에의 전압 인가를 개시하는, 마그네트론 스퍼터링 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    회전하고 있는 상기 마그네트의 상기 회전면 내에서의 상기 회전 방향 위치와 상기 스퍼터링 챔버 내의 가스 압력 분포에 따라 상기 타겟에의 전압 인가를 종료시키는, 마그네트론 스퍼터링 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스 도입구의 위치와 상기 마그네트의 회전 중심을 연결하는 직선에 대하여 상기 마그네트의 회전면 내에서 직교하고 상기 회전 중심을 통과하는 직선보다, 상기 가스 도입구의 위치에 대하여 먼 영역 상에, 상기 마그네트의 중심이 위치될 때에, 상기 타겟에의 전압 인가를 종료시키는, 마그네트론 스퍼터링 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 마그네트의 중심이, 상기 타겟에의 전압 인가를 개시할 때와 동일한 위치에 위치될 때에, 상기 타겟에의 전압 인가를 종료시키는, 마그네트론 스퍼터링 방법.
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